KR20140093389A - 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치 - Google Patents

광화학센서를 이용한 생태독성측정장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 녹조류 등과 같은 광합성을 하는 조류, 특히 반달말(closterium ehrenbergii)을 이용하여 하천에서의 오염도 및 생태독성을 감시할 수 있도록 한 광화학 측정장치에 관한 것이다. 이 발명의 광화학 측정장치는, 광합성을 하는 조류를 시료수와 대조수에 각각 주입하여 구성한 시험구 및 대조구의 수질데이터를 각각 검출하는 수질데이터 검출장치와, 수질데이터 검출장치에서 각각 검출한 데이터를 비교 분석하여 그 결과를 값으로 표시하는 수단으로 구성된다.

Description

광화학센서를 이용한 생태독성측정장치{Total Ecotoxicological measuring system using Photochemical algae sensor}
이 발명은 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 녹조류 등과 같은 광합성을 하는 조류, 특히 반달말(closterium ehren -bergii)을 이용하여 하천에서의 오염도 및 생태독성을 감시할 수 있도록 한 조류를 이용한 생태독성측정장치에 관한 것이다.
세계적으로 산업화에 따른 수질오염 사고의 증가뿐 아니라 테러 위험 등의 증가로 인해 안전한 물에 대한 요구가 날로 높아지고 있다. 즉, 수질모니터링은 식수원과 관련된 공업단지 등의 수질오염사고에 대비한 시스템으로 사회적경제적으로 매우 중요하다. 기존의 물리, 화학적 수질측정방식으로는 이러한 위기에 따른 대처와 치명적인 유해독성물질 및 미지의 독성물질, 수계 내에 혼입되어 발생하는 독성물질들의 인체 및 수서생태계의 생물에 미치는 영향을 즉각적으로 감지해 내는 데에 한계가 있다.
그러므로 생물에 대한 유해물질들의 생태독성을 실시간 자동 측정할 수 있고, 이를 감지, 경보할 수 있는 독성물질유입 감시장치인 생물을 이용한 생태독성측정기기에 대한 필요성이 요구되고 있으며, 이에 대한 연구 및 현장 설치 또한 확대되고 있다.
또한, 생물을 이용한 생태독성측정장치의 특성상 단순한 측정에만 끝나는 것이 아닌 수질모니터링시스템으로서의 기능이 필요하며, 국가수질자동측정망이나 중앙관리시스템에 연동되어 그 기능을 실행할 수 있는 통합적 관리를 위한 원격모니터링에 대한 기술력이 요구되고 있다.
그러나, 현재 국내에 설치된 생물을 이용한 생태독성측정장치의 대부분이 수입 제품으로 이루어져 있어 외국기술에 대한 기술의존도가 매우 높은 실정이다. 또한, 이에 따른 외화의 유출 및 유지관리의 어려움이 대두되어 왔으며, 기존 수입 물고기나 물벼룩을 이용한 생태독성측정장치의 경우 생물의 배양 및 유지관리의 어려움과 고가의 유지관리 비용, 기기의 문제 발생 시 수입품의 사용으로 인한 신속한 대처의 어려움, 수입 생물 종 사용에 따른 문제점 등이 지적되고 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 녹조류 등과 같은 광합성을 하는 조류, 특히 반달말을 이용하여 하천에서의 오염도 및 생태독성을 감시할 수 있도록 구성하되, 그 유지관리가 간단하고 정밀도가 우수한 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이 발명의 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치는, 광합성을 하는 조류를 시료수와 대조수에 각각 주입하여 시험구 및 대조구의 수질데이터를 각각 검출하는 수질데이터 검출장치와, 수질데이터 검출장치에서 각각 검출한 데이터를 비교 분석하여 그 결과를 그래프, 도표 및 값으로 표시하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 조류형광 측정수단은 시험구 및 대조구의 형광량 변화를 각각 검출하는 대조구 검출부 및 시험구 검출부를 포함하며, 대조구 검출부 및 시험구 검출부는 광학 홀더와, 대조구 또는 시험구를 각각 저장할 수 있는 시험관 형태로 구성되어 광학 홀더의 상부에 삽입되는 측정셀과, 광학 홀더의 둘레를 따라 배치되어 측정셀에 측정광을 조사하는 다수의 발광 다이오드(Light-Emitting Diode ; LED)와, LED 방사면 앞에 설치되어 광량을 균일하게 분포시키는 확산판과, 측정셀의 하부에 설치되어 측정셀 내의 조류센서에 의해 형광하는 광 성분 중에서 700nm이하의 광을 제거하는 장파장 투과 필터와, 장파장 투과 필터를 투과한 광을 집속시키는 집속렌즈, 및 집속렌즈에서 집속된 측정셀 내의 조류센서의 형광량을 검출하여 전기신호로 변환하는 광검출기를 포함할 수 있다.
이 발명의 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 조류의 형광량을 대조수와 시료수로 나누어 측정하므로 정확성과 감도의 향상이 가능하다.
둘째, 측정광으로 청색 LED 광원을 사용함으로써 측정시 조류의 최대 흡광대역을 만족시키며, 가변 가능한 변조 주파수의 반복을 통해 조류의 상태를 긴장하게 하여 측정 감도의 향상을 얻을 수 있다.
셋째, LED 방사면 앞에 광량 분포를 균일하게 하는 확산판을 장착함으로써 조류에 평균적으로 일정하고 균일한 세기의 광원 조사가 가능하다.
넷째, 10개의 Light-emitting diode(LED)를 둥근 원형으로 배치함으로써 광의 공간분포가 일정하도록 조절할 수 있다.
다섯째, LED에서 유도되는 조류의 형광량 측정 시 산란 여기광에 의한 형광이 감지되는 것을 막을 수 있도록 광검출기의 전단에 장파장 투과 필터(λ>700nm)를 설치해 산란 여기광의 형광을 차단할 수 있다.
도 1은 생태독성측정장치의 구성관계를 도시한 블록도이고,
도 2 및 도 3는 도 1에 도시된 조류형광 측정수단의 구성관계를 도시한 정면도 및 측면도이고,
도 4 내지 도 5, 6는 도 1에 도시된 대조구 검출부의 구성관계를 도시한 정면도, 평면도 및 저면도이다.
아래에서는, 이 발명에 따른 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 조류를 이용한 생태독성측정장치는, 광합성을 하는 조류, 특히 반달말을 강, 하천의 시료수와 수돗물, 증류수 등의 대조수에 각각 투입하여 시험구 및 대조구의 수질데이터를 각각 검출하는 수질데이터 검출장치(100)로 구성된다.
조류형광 측정수단(150)은 조류가 광합성 과정 중 발생시키는 여분의 형광량이 독성물질 유입시 변화를 나타내게 되는데, 이를 감지해 정상 상태의 형광량 변화(대조구)와 독성물질 유입시의 형광량 변화(시험구)를 각각 검출하도록 구성된다. 즉, 조류형광 측정수단(150)은 시료수 및 대조수에 조류가 포함된 배양수를 각각 공급하여 시험구와 대조구를 만들고, 여기에 LED를 통해 광을 조사하여 조류센서에서 광합성으로 발생하는 엽록소의 형광량 변화를 검출하는 것으로서, 대조구 검출부(151)와 시험구 검출부(152)를 갖도록 구성된다.
조류형광 측정수단(150)은 크게 대조구 검출부(151), 시험구 검출부(152) 및 증폭부(153)로 구성된다. 여기서, 대조구 검출부(151) 및 시험구 검출부(152)는 대조구 및 시험구 내의 조류의 형광량을 측정한 후 전기신호로 변환하여 검출하는 역할을 한다. 즉, 대조구 검출부(151)는 오염되지 않은 표준 수질의 반달말의 형광량 변화값을 검출하고, 시험구 검출부(152)는 측정하고자 하는 곳의 강, 하천의 시료수를 채취하여 시료수 수질 내의 반달말의 형광량 변화값을 검출한다.
이러한 대조구 검출부(151) 및 시험구 검출부(152)는 다음과 같은 성능을 가지고 있는 것이 바람직하다.
첫째, 측정광(measuring beam)은 Light-emitting diode(LED)에서 나오는 강하지만 짧고 반복적인 펄스로 주어져야 한다. 여기서, 측정시 조류센서의 최대 흡광계수를 만족시키기 위해 최대 피크(peak) 파장 대역이 청색 계역인 LED를 사용하며, 펄스의 변조 주파수는 600Hz 로 주어지는 것이 바람직하다.
둘째, 측정광(measuring beam)은 조류센서에 평균적으로 일정한 세기의 광원이 도달하도록 하는 것이 바람직하다.
셋째, Light-emitting diode(LED)는 일정한 간격으로 배치하여 광의 공간 분포가 일정하도록 구성하는 것이 바람직하다.
넷째, 조류센서에 의해 발광한 후 광검출기로 들어오는 광 성분 중에서 700nm이하의 광은 장파장 투과 필터(λ>700nm)에 의해 제거 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예에 따른 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치의 구성관계를 해당 구성요소들을 참고하여 부연 설명한다.
도 2 및 도 3는 도 1에 도시된 조류형광 측정수단의 구성관계를 도시한 정면도 및 측면도이다. 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 조류형광 측정수단(150)은 대조구 검출부(151) 및 시험구 검출부(152)와, 각 검출부(151, 152)를 조작하는 조작패널과, 조작패널의 조작에 따른 값 등을 표시하는 표시부와, 전원공급단자 및 스위치 등을 외부에 갖는다.
도 4 내지 도 5, 6는 도 1에 도시된 대조구 검출부(시험구 검출부도 동일함)의 구성관계를 도시한 정면도, 평면도 및 저면도이다. 대조구 검출부(151)는 대조구의 형광량을 측정하기 위한 각각의 구성요소들을 수용하는 광학 홀더(151a)와, 내부에 일정량의 대조구를 보관할 수 있는 시험관 형태로 구성되어 광학 홀더(151a)의 상부에 형성된 투입구(151b)에 삽입되는 측정셀(도시안됨)과, 측정셀에 광을 조사하기 위해 광학 홀더(151a)의 둘레를 따라 형성된 다수의 삽입홈(151c)에 각각 삽입되는 다수의 LED(도시안됨)를 갖는다. 이 실시예에서는 10개의 LED를 일정한 간격으로 삽입홈(151c)에 삽입 배치하여 전체적으로 광의 공간 분포가 일정하도록 구성하였다.
또한, 대조구 검출부(151)는 LED 방사면 앞에 설치되어 광량을 균일하게 분포시키는 확산판(도시안됨)과, 측정셀의 하부에 설치되어 측정셀 내의 조류센서에 의해 발광하는 광 성분 중에서 700nm이하의 광을 제거하는 장파장 투과 필터(도시안됨)와, 장파장 투과 필터를 투과한 광을 집속시키는 집속렌즈(도시안됨), 및 집속렌즈에서 집속된 대조구 및 시험구 내의 조류센서의 형광량을 검출하여 전기신호로 변환하는 광검출기(도시안됨)를 갖는다. 여기서, 확산판은 다수의 LED에서 나오는 광을 조류센서에 평균적으로 일정하고 균일한 세기의 광원이 조사되도록 구성한다. 장파장 투과 필터, 집속렌즈 및 광검출기는 광학 홀더(151a)의 하부에 형성된 삽입구(151d)에 순차적으로 삽입 고정된다.
조류형광 측정수단(150)에서의 측정과정은 다음과 같다. 먼저, 측정셀의 주위에 설치되어 있는 다수의 LED에 의해 측정광이 발광한다. 그러면, LED 방사면 앞에 설치된 확산판에 의해 광량이 균일하게 분포된 후, 측정셀 내의 조류센서에 평균적으로 일정하고 균일한 세기의 광원으로 조사된다. 여기서, 확산판을 통해서 나오는 광원은 측정셀에 조사되어 조류센서에 의해 반응하게 된다. 즉, 600nm이하의 광에 반응한 조류는 광합성 작용을 하게 되고, 이러한 광합성 작용에 의해 형광이 발생한다.
조류센서에 의해 형광하는 광 성분 중에서 700nm이하의 광은 장파장 투과 필터(λ>700nm)에 의해 제거되고, 장파장 투과 필터를 투과한 광은 집속렌즈에 의해 집속된다. 집속된 광은 광검출기에 의해 검출된 후 전기신호로 변환되어 각각의 형광량이 산출된다.
이상에서 이 발명의 광화학센서를 이용한 생태독성측정장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
150 : 조류형광 측정수단

Claims (4)

  1. 광합성을 하는 조류를 시료수와 대조수에 각각 주입하여 구성한 시험구 및 대조구의 수질데이터를 각각 검출하는 수질데이터 검출장치와, 상기 수질데이터 검출장치에서 각각 검출한 데이터를 비교 분석하여 그 결과를 값으로 표시하는 생태독성측장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조류형광 측정수단은 상기 시험구 및 상기 대조구의 형광량 변화를 각각 검출하는 대조구 검출부 및 시험구 검출부를 포함하며,
    상기 대조구 검출부 및 상기 시험구 검출부는 광학 홀더와, 상기 대조구 또는 상기 시험구를 각각 저장할 수 있는 시험관 형태로 구성되어 상기 광학 홀더의 상부에 삽입되는 측정셀과, 상기 광학 홀더의 둘레를 따라 배치되어 상기 측정셀에 측정광을 조사하는 다수의 발광 다이오드(Light-Emitting Diode ; LED)와, 상기 LED 방사면 앞에 설치되어 광량을 균일하게 분포시키는 확산판과, 상기 측정셀의 하부에 설치되어 상기 측정셀 내의 조류센서에 의해 형광하는 광 성분 중에서 700nm이하의 광을 제거하는 장파장 투과 필터와, 상기 장파장 투과 필터를 투과한 광을 집속시키는 집속렌즈, 및 상기 집속렌즈에서 집속된 상기 측정셀 내의 조류센서의 형광량을 검출하여 전기신호로 변환하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 조류를 이용한 생태독성측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 LED는 청색 파장 대역의 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 조류를 이용한 생태독성측정장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 조류는 반달말(closterium ehrenbergii)인 것을 특징으로 하는 조류를 이용한 생태독성측정장치.

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